系统过控课设精馏塔温度控制系统设计与仿真.docx
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系统过控课设精馏塔温度控制系统设计与仿真
【关键字】系统
自动化工程与科学学院
过程控制系统与仪表课程设计
——精馏塔温度控制系统设计与仿真
班级：
11级自动化2班
姓名：
董文杰
学号：
9
指导老师：
哀薇
日期：
过程控制系统课程设计
——精馏塔温度控制系统设计与仿真
一、研究东西
图1精馏塔温度控制问题
某精馏塔的工艺流程如图1所示，现要求对精馏段温度TR和提馏段温度TS都进行有效的控制，以确保塔顶和塔底产品的质量。
图1中，F为进料量，它受上游流程控制，为精馏塔温度的主要干扰之一，其它干扰包括进料组成与温度变化、塔底蒸汽量变化、塔顶回流冷凝后温度变化等；L为塔顶冷回流量，拟作为精馏段温度TR的控制手段；塔底蒸汽量QH拟作为提馏段温度TS的控制手段。
u1为调节阀VL的相对输入信号，u2为调节阀VQ的相对输入信号（以DDZIII型为例，当输入电流为4mA时，对应相对输入信号为0%；当输入电流为20mA时，对应相对输入信号为100%），P为精馏塔顶压力，其变化可基本忽略，Pp为泵出口压力，Pp受塔顶产品调节阀VD开度的影响，变化范围较大。
图1中Lm、Vm、Fm分别为L、V、F的测量值。
为便于控制方案研究，假设如下：
（1）该精馏塔的静态工作点为T0=140℃，F0=60T/hr（吨/小时），L0=20T/hr，V0=15T/hr，u10=25%，fL0=75%，u20=25%，fQ0=25%，Pp0=0.9MPa，Pt0=0.86MPa。
这里，fQ为调节阀VQ相对流通面积，fL为调节阀L相对流通面积。
（2）精馏段和提馏段温度的测量范围都为0~200℃，进料量F的测量范围为0~100T/hr，塔顶冷回流量L的测量范围为0~50T/hr，塔底回流量V的测量范围为0~25T/hr。
L、V、F的测量值：
Lm、Vm、Fm均用%来表示，即Lm、Vm、Fm的最小值为0，最大值为100。
（3）流量测量仪表的动态滞后忽略不计；而温度测量环节可用带纯滞后的一阶环节来近似，温度测量环节的一阶时间常数，，纯滞后时间，，单位为分。
（4）考虑到精馏塔操作的安全性，控制阀VL选用气关阀，控制阀VQ选用气开阀，假设控制阀都为线性阀，其动态滞后忽略不计，动态特性可表示为
，。
（5）对于塔顶冷回流东西，假设控制通道与扰动通道的动态特性可表示为：
，。
其中为控制阀VL相对流通面积的变化量，%；TR2基本不变，这里设分；KR2、KRd2在一定范围内变化，这里设KR2、KRd2的变化范围分别为（T/hr）/%；（T/hr）/MPa。
（6）对于塔底回流东西，假设控制通道与扰动通道的动态特性可表示为:
，。
其中为控制阀VR相对流通面积的变化量，%；TS2基本不变，这里设分；KS2、KSd2在一定范围内变化，这里设KS2、KSd2的变化范围分别为（T/hr）/%；T/hr。
（7）对于温度东西，假设控制通道与扰动通道的动态特性可表示为
；
；
其中东西特性参数均可能在以下范围内变化：
℃/（T/hr），℃/（T/hr），℃/（T/hr），℃/（T/hr），分，分，分，分，分，分，分；℃/（T/hr），分，分，℃/（T/hr），分，分。
二、研究任务
对于上述被控过程，假设被控变量T所受的主要扰动为进料量F、泵出口压力Pp的变化、蒸汽压力变化Pf，而且变化范围为：
T/hr，MPa,；另外，被控变量T的设定范围为℃。
试应用单回路、串级、前馈、比值、选择、Smith预估、解耦等控制方法，设计至少2套控制系统，达到控制精馏塔温度的目的。
对于每一套控制方案，具体要求：
1、说明所采用的控制方案以及采用该方案的原因，并在工艺流程上表明该控制系统。
2、确定所用控制器的正反作用，画出控制系统完整的方框图（需注明方框图各环节的输入输出信号），并选择合适的PID控制规律。
3、在SIMULINK仿真环境下，对所采用的控制系统进行仿真研究。
具体步骤包括：
（1）在东西特性参数的变化范围内，确定各环节东西的传递函数模型，并构造SIMULINK东西模型；
（2）引入手动/自动切换环节，在手动状态下对控制通道、干扰通道分别进行阶跃响应试验，以获得“广义东西”开环阶跃响应曲线；
（3）依据PID参数整定方法，确定各控制器的参数；
（4）在控制系统处于“闭环”状态下，进行温度设定值跟踪响应试验、干扰塔底回流量、Pp与F对系统输出的扰动响应试验，并获得相应的响应曲线；
（5）在各控制器参数均保持不变的前提下，当东西特性在其变化范围内发生变化时，重新进行温度设定值跟踪试验与扰动响应试验，并获得相应的响应曲线。
4、根据不同控制方案的闭环响应曲线，比较控制性能（包括是否稳定、衰减比、超调量、过渡过程时间等）。
三、控制方案
精馏塔温度控制的开环回路如下图所示：
温度控制开环回路
由图我们可知，被控变量TS、TR控制回路都存在两种主要干扰。
被控变量TR主要受到干扰量是进料量F和泵出口压力PP；被控变量TS主要受到干扰量为进料量F和塔底蒸汽量V。
且被控变量TS、TR相互耦合。
为此，我设计了两种方案来实现控制精馏塔的温度。
第一种，忽略耦合的影响，在每条控制回路上加上反馈控制，构成单回路反馈控制；第二种，对耦合系统先进行解耦，分别采用单回路反馈控制回路。
（1）第一种方案，构造类似单回路反馈电路。
虽然被控变量之间有耦合，但是两者之间的耦合强度不强，所以可以不做考虑。
从传递函数可以看出，干扰量对于被控变量的影响不是很大，可以采取直接反馈回路消除。
1、控制方案的工艺控制流程图
图1-1控制工艺流程图
2、控制系统方框图
系统方框图
图1-2系统仿真方框图
其中，被控变量TR测量环节的传递函数模块为：
图1-3被控变量TR测量环节的传递函数模块（Gmr）
被控变量TS测量环节的传递函数模块为：
图1-4被控变量TS测量环节的传递函数模块（Gms）
控制通道与扰动通道的动态特性传递函数模块：
图1-5GR传递函数模块（包含G11、G21）
图1-6GS传递函数模块（包含G12、G22）
进料量F的干扰通道的传递函数模块：
图1-7进料量F的干扰通道的传递函数模块
控制器PID1、PID2都是正作用，都选择PID控制规律。
3、确定各环节对象的传递函数模型
（a）对于塔顶冷回流对象，控制通道与扰动通道的动态特性传递函数模型为：
，
（b）对于塔底回流对象，假设控制通道与扰动通道的动态特性传递函数模型为:
，
（c）对于温度对象，假设控制通道与扰动通道的动态特性传递函数模型为
；
；
（e）温度测量环节的传递函数模型：
，
4、切换到手动状态，得出各开环阶跃响应曲线（所有控制变量及干扰量初始状态都为0）
（a）开始10min后，仅给TR控制信号+50的阶跃信号；再过40min后，给TR控制信号为-50的阶跃信号（横轴表示时间，纵轴表示幅度）：
TR阶跃响应曲线TS阶跃响应曲线
（b）开始10min后，仅给TS控制信号+50的阶跃信号；再过40min后，给TS控制信号为-50的阶跃信号（横轴表示时间，纵轴表示幅度）：
TR阶跃响应曲线TS阶跃响应曲线
（c）开始10min后，仅给干扰量F+20的阶跃信号；再过40min后，给干扰量F为-20的阶跃信号（横轴表示时间，纵轴表示幅度）：
进料量阶跃作用的TR响应曲线进料量阶跃作用的TS阶跃响应曲线
（d）开始10min后，仅给干扰量PP+0.02的阶跃信号；再过40min后，给干扰量PP为-0.02的阶跃信号（横轴表示时间，纵轴表示幅度）：
泵出口压力阶跃作用的TR响应曲线泵出口压力阶跃作用的TS响应曲线
（e）开始10min后，仅给干扰量V+15的阶跃信号；再过40min后，给干扰量V为-15的阶跃信号（横轴表示时间，纵轴表示幅度）：
塔底回流量阶跃作用的TR响应曲线塔底回流量阶跃作用的TS响应曲线
由图（a）、（b）可知，被控变量TR、TS的控制通道是相互耦合的，TR的控制变量对被控变量TS的影响大于TS的控制变量对被控变量TR的影响；由图（c）可知，干扰量F对于对于被控变量TS的影响较大点；有图（d）可知，虽然干扰量PP在被控变量TR控制回路，但因为耦合作用，也影响到被控变量TS；有图（e）可知，干扰量V只影响被控变量TS，因为干扰量V作用在被控变量回路TS的末端。
5、控制器参数的整定
（a）控制TR的控制器PID1的参数为：
P=1.8，I=0.7，D=0.5
（b）控制TS的控制器PID2的参数为：
P=3.2，I=1.2，D=0.5
6、控制系统处于“闭环”状态下的性能测试
（a）温度设定值跟踪响应试验（温度设定值为140℃）：
温度设定值TR响应曲线温度设定值TS响应曲线
（b）泵出口压力PP对系统输出的扰动响应试验（开始40min后，给阶跃信号+0.02MPa）：
泵出口压力干扰TR响应曲线泵出口压力干扰TS响应曲线
（c）进料量F对系统输出的扰动响应试验（开始40min后，给阶跃信号+20T/hr）：
进料量干扰TR响应曲线进料量干扰TS响应曲线
（d）塔底回流量V对系统输出的扰动响应试验（开始40min后，给阶跃信号+15T/hr）：
塔底回流量干扰TR响应曲线塔底回流量干扰TS响应曲线
（f）三种干扰量同时对系统输出的扰动响应试验（开始40min后，三种干扰量同时给阶跃信号）：
三种干扰同时作用TR响应曲线三种干扰同时作用TS响应曲线
由以上图形比较可以得出结论：
控制系统在“闭环”状态下，温度设定值跟踪响应性能好，响应时间短；干扰量PP与F可以通过反馈控制迅速消除，保持系统的稳定；干扰量V是主要干扰量，仅靠反馈控制可以消除，但是超调量大，调节时间长，不利于系统安全。
7、变换对象特性传递函数，测定系统“闭环”动态性能
，
，
；
；
（a）温度设定值跟踪响应试验（温度设定值为140℃）：
温度设定值TR响应曲线温度设定值TS响应曲线
（b）泵出口压力PP对系统输出的扰动响应试验（开始40min后，给阶跃信号+0.02MPa）：
泵出口压力干扰TR响应曲线泵出口压力干扰TS响应曲线
（c）进料量F对系统输出的扰动响应试验（开始40min后，给阶跃信号+20T/hr）：
进料量干扰TR响应曲线进料量干扰TS响应曲线
（d）塔底回流量V对系统输出的扰动响应试验（开始40min后，给阶跃信号+15T/hr）：
塔底回流量干扰TR响应曲线塔底回流量干扰TS响应曲线
通过以上图形，可以看出：
无论是温度设定值跟踪响应曲线还是扰动响应曲线，都发生强烈的振荡。
所以在各控制器参数均保持不变的前提下，当对象特性在发生变化时，系统将不稳定，即每当对象特性发生变化时，我们都要进行PID整定，才能维持系统的稳定。
（2）第二种方案，先对控制通道进行解耦，塔顶塔底均采用单回路反馈控制方法。
被控变量TR、TS的控制通道是相互耦合的，当TS受到大干扰时，由于耦合作用，同样会严重影响被控变量TR。
一般而已，我们对于塔顶精馏段要求比较高，所以增加解耦环节，使被控变量TR不再受到塔底回流量V的干扰，有利于被控变量TR的稳定快速控制。
对于塔顶回路，干扰量影响不大，采用单回路反馈控制，即可以达到控制要求。
对于塔底回路，由于控制过程由两条通道并联，且滞后时间都不一样，所以无法采用Smith预估补偿控制，故仍然采用单回路反馈控制。
1、控制方案的工艺控制流程图
图2-1控制工艺流程图
2、控制系统方框图
系统方框图
图2-2系统仿真方框图
其中，被控变量TR测量环节的传递函数模块为：
图2-3被控变量TR测量环节的传递函数模块（Gmr）
被控变量TS测量环节的传递函数模块为：
图2-4被控变量TS测量环节的传递函数模块（Gms）
控制通道与扰动通道的动态特性传递函数模块：
图2-5GR传递函数模块（包含G11、G21）
图2-6GS传递函数模块（包含G12、G22）
进料量F的干扰通道的传递函数模块：
图2-7进料量F的干扰通道的传递函数模块
解耦环节的传递函数模块：
图2-8解耦环节传递函数模块N（包含N21、N12）
控制器PID1、PID2都是正作用，都选择PID控制规律。
3、确定各环节对象的传递函数模型
（a）对于塔顶冷回流对象，控制通道与扰动通道的动态特性传递函数模型为：
，
（b）对于塔底回流对象，假设控制通道与扰动通道的动态特性传递函数模型为:
，
（c）对于温度对象，假设控制通道与扰动通道的动态特性传递函数模型为
；
；
（e）温度测量环节的传递函数模型：
，
4、切换到手动状态，得出各开环阶跃响应曲线（所有控制变量及干扰量初始状态都为0）
（a）开始10min后，仅给TR控制信号+50的阶跃信号；再过40min后，给TR控制信号为-50的阶跃信号（横轴表示时间，纵轴表示幅度）：
TR阶跃响应曲线TS阶跃响应曲线
（b）开始10min后，仅给TS控制信号+50的阶跃信号；再过40min后，给TS控制信号为-50的阶跃信号（横轴表示时间，纵轴表示幅度）：
TR阶跃响应曲线TS阶跃响应曲线
（c）开始10min后，仅给干扰量F+20的阶跃信号；再过40min后，给干扰量F为-20的阶跃信号（横轴表示时间，纵轴表示幅度）：
进料量阶跃作用的TR响应曲线进料量阶跃作用的TS阶跃响应曲线
（d）开始10min后，仅给干扰量PP+0.02的阶跃信号；再过40min后，给干扰量PP为-0.02的阶跃信号（横轴表示时间，纵轴表示幅度）：
泵出口压力阶跃作用的TR响应曲线泵出口压力阶跃作用的TS响应曲线
（e）开始10min后，仅给干扰量V+15的阶跃信号；再过40min后，给干扰量V为-15的阶跃信号（横轴表示时间，纵轴表示幅度）：
塔底回流量阶跃作用的TR响应曲线塔底回流量阶跃作用的TS响应曲线
由以上图形相互比较，可以得出：
通过N21（s）、N12（s）前馈解耦环节解耦以后，被控变量TR、TS的控制回路都转变为单回路控制通道。
控制信号、干扰量都只对其控制通道有作用。
但是，由于每条回路都是由并联的过程特性函数组成，由于过程特性函数滞后时间不一样，存在过渡时间，使得阶跃响应曲线有略微的振荡。
5、控制器参数的整定
（a）控制TR的控制器PID1的参数为：
P=0.8，I=0.7，D=0.6
（b）控制TS的控制器PID2的参数为：
P=4.6，I=0.9，D=0.5
6、控制系统处于“闭环”状态下的性能测试
（a）温度设定值跟踪响应试验（温度设定值为140℃）：
温度设定值TR响应曲线温度设定值TS响应曲线
（b）泵出口压力PP对系统输出的扰动响应试验（开始40min后，给阶跃信号+0.02MPa）：
泵出口压力干扰TR响应曲线泵出口压力干扰TS响应曲线
（c）进料量F对系统输出的扰动响应试验（开始40min后，给阶跃信号+20T/hr）：
进料量干扰TR响应曲线进料量干扰TS响应曲线
（d）塔底回流量V对系统输出的扰动响应试验（开始40min后，给阶跃信号+15T/hr）：
塔底回流量干扰TR响应曲线塔底回流量干扰TS响应曲线
（f）三种干扰量同时对系统输出的扰动响应试验（开始40min后，三种干扰量同时给阶跃信号）：
三种干扰同时作用TR响应曲线三种干扰同时作用TS响应曲线
由以上图形比较可以得出结论：
控制系统在“闭环”状态下，温度设定值跟踪响应性能好，响应时间短；干扰量PP与F可以通过反馈控制迅速消除，保持系统的稳定；通过解耦环节以后，干扰量V不再对被控变量TR造成影响。
但干扰量V仍让是被控变量TS的主要干扰量，仅靠反馈控制可以消除，但是超调量大，调节时间长，不利于系统安全。
7、变换对象特性传递函数，测定系统“闭环”动态性能
，
，
；
；
（a）温度设定值跟踪响应试验（温度设定值为140℃）：
温度设定值TR响应曲线温度设定值TS响应曲线
（b）泵出口压力PP对系统输出的扰动响应试验（开始40min后，给阶跃信号+0.02MPa）：
泵出口压力干扰TR响应曲线泵出口压力干扰TS响应曲线
（c）进料量F对系统输出的扰动响应试验（开始40min后，给阶跃信号+20T/hr）：
进料量干扰TR响应曲线进料量干扰TS响应曲线
（d）塔底回流量V对系统输出的扰动响应试验（开始40min后，给阶跃信号+15T/hr）：
塔底回流量干扰TR响应曲线塔底回流量干扰TS响应曲线
通过以上图形，可以看出：
塔顶回路可以维持稳定，但是对于塔底回路来说，无论是温度设定值跟踪响应曲线还是扰动响应曲线，都发生强烈的振荡。
所以在各控制器参数均保持不变的前提下，当对象特性在发生变化时，系统将可能出现不稳定状况，即每当对象特性发生变化时，我们都要进行PID整定，才能维持系统的稳定，才能使系统获得最佳状态。
四、控制性能比较
表1不同方案的控制性能比较表格
方案一
方案二
TR
TS
TR
TS
温度设定值跟踪
衰减比
2.1：
1
6：
1
3.5:
1
3:
1
超调量/℃
63
36
35
9
调节时间/min
14
19.5
11.5
11.5
是否稳定
是
是
是
是
泵压力干扰影响
最大动态偏差/℃
7
3.5
6.6
0
恢复时间/min
3
4
3.4
0
是否稳定
是
是
是
是
进料量干扰影响
最大动态偏差/℃
2.5
6
2.8
6
恢复时间/min
5.3
9
6.3
12
是否稳定
是
是
是
是
塔底回流量干扰影响
最大动态偏差/℃
16
150
0
150
恢复时间/min
25
25.6
0
20.5
是否稳定
是
是
是
是
由表格中的数据比较可以得出：
控制系统未解耦时，温度设定值跟踪时超调量大，调节时间长，相对于解耦的系统，稳定性要差一些。
而且，干扰量会同时对两个被控变量造成影响。
解耦之后，控制通道的干扰量只会对自己通道的控制变量造成影响，便于控制以及调整；另外，解耦后相当于单回路控制回路，PID整定简单。
五、心得体会
过程控制是自动化专业的一门重要分支，也是自动化本科学生学习的重点。
过程控制的课程设计是精馏塔温度控制系统设计与仿真，是一个比较实际，切合实际工业生产的课题。
课程设计综合了过程控制系统的各种理论，涉及到各种总控制系统的，像简单的pid控制，解耦，smith预估，前馈控制，串级控制等，是检验过程控制课程学习的很好的试金石。
在整个过孔课程设计中，最难的就是控制方法的确定，究竟应该选择怎样的控制方法。
控制方法的选择不单单只是考虑控制效果，还应该考虑实际生产的成本控制，是否简单易行等各种因素。
因此一开始我选择一个简单的pid控制系统，看看简单系统的控制是否能达到设计的要求。
再者，本设计中涉及两个被控变量，两个输入，很明显需要检验是否存在强耦合关系，所以解耦的设计也是十分必要的。
结果发现，控制系统未解耦时，温度设定值跟踪时超调量大，调节时间长，相对于解耦的系统，稳定性要差一些。
而且，干扰量会同时对两个被控变量造成影响。
解耦之后，控制通道的干扰量只会对自己通道的控制变量造成影响，便于控制以及调整；另外，解耦后相当于单回路控制回路，PID整定简单。
此题中还是存在强耦合关系，实际应用这应该考虑解耦。
本次课程设计，时间不是很长，也比较赶，中间还穿插着计控课程设计，plc创新实践，生产实习（对于我来说还要考虑实习等）能按时完成任务也为自己点个赞，希望以后的设计都要认真做好。
继续努力。
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